JPH01198277A - Semi-conductor power converter - Google Patents

Semi-conductor power converter

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JPH01198277A
JPH01198277A JP63021635A JP2163588A JPH01198277A JP H01198277 A JPH01198277 A JP H01198277A JP 63021635 A JP63021635 A JP 63021635A JP 2163588 A JP2163588 A JP 2163588A JP H01198277 A JPH01198277 A JP H01198277A
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JP
Japan
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commutation
voltage
arrester
bridge circuit
power
Prior art date
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Pending
Application number
JP63021635A
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Japanese (ja)
Inventor
Shigenori Kinoshita
木下 繁則
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To reduce the size and to improve the efficiency, by connecting a gapless arrester to AC side of a bridge circuit and absorbing only commutation energy when forcible commutation is made. CONSTITUTION:A semi-conductor power converter comprises an AC power source 1, a single-phase bridge circuit 3, GTO thyristors 4-7, snubber circuits 8-11 and a smoothing reactor 12, and drives a DC load, i.e. a motor. A gapless arrester 18 operable with a voltage higher than the peak voltage of the AC power source 1 is connected, in place of a commutation energy absorbing circuit, between AC side terminals of the bridge circuit 3. Since the voltage of the gapless arrester 18 connected to AC side of the bridge circuit 3 does not reach to the limit voltage thereof and no current flows through the arrester 18, power is not consumed through the arrester 18. When control is made such that the commutation margin angle is negative, peak voltage is produced to cause current flow through the arrester 18 thus absorbing commutation energy.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、GT○サイリスタ等の自己消弧形半導体スイ
ッチ素子を電力変換素子として用い、交流電源側へ電力
を回生可能とした半導体電力変換装置に関する。
Detailed Description of the Invention (Industrial Field of Application) The present invention is a semiconductor power conversion device that uses a self-extinguishing semiconductor switching element such as a GT○ thyristor as a power conversion element and can regenerate power to an AC power source. Regarding equipment.

(従来の技術) 従来、この種の半導体電力変換装置として、自己消弧機
能を有さないサイリスタや自己消弧機能を有するGTO
サイリスタ等の半導体スイッチ素子からなるブリッジ回
路を備えた半導体電力変換装置が知られている。
(Prior Art) Conventionally, as this type of semiconductor power converter device, a thyristor without a self-extinguishing function and a GTO having a self-extinguishing function have been used.
2. Description of the Related Art Semiconductor power conversion devices are known that include a bridge circuit made of semiconductor switching elements such as thyristors.

ここで、自己消弧機能を有さない半導体スイッチ素子を
用いた半導体電力変換装置では、順変換時には点弧角を
ほぼ零として制御するので直流電圧は転流型なり角の分
だけ低下することになり、直流平均電圧も低下する。ま
た、交流側の電流の位相がほぼ転流型なり角の分だけ交
流電源側のインダクタンスにより遅れるため、力率も低
下する。
Here, in a semiconductor power conversion device using a semiconductor switching element that does not have a self-extinguishing function, the firing angle is controlled to be almost zero during forward conversion, so the DC voltage decreases by the commutation type angle. , and the DC average voltage also decreases. Furthermore, the power factor also decreases because the phase of the current on the alternating current side is delayed by the inductance on the alternating current power supply side by approximately the angle of the commutation type.

更に、逆変換時においては、転流余裕角を確保するべく
、制御進み角を転流型なり角以上としなければならない
ため、直流側の平均電圧が低下するとともに、交流の位
相が大幅に進み、力率も順変換時以上に低下してしまう
Furthermore, during inverse conversion, the control lead angle must be greater than or equal to the commutation type lead angle in order to ensure commutation margin angle, so the average voltage on the DC side decreases and the AC phase advances significantly. , the power factor also decreases more than during forward conversion.

一方、GTOサイリスタ等の自己消弧形半導体スイッチ
素子を用いた半導体電力変換装置は、交流電源電圧の極
性反転時に各GTOサイリスタを点弧または消弧するの
で、転流型なり角を零とすることができる。従って、順
変換時及び逆変換時ともに、力率をほぼ1とすることが
でき、順変換動作時における直流出力電圧及び逆変換時
における直流電圧が低下することがなく、通常のサイリ
スタを用いた半導体電力変換装置の有する欠点が一応解
決される。
On the other hand, in semiconductor power converters using self-extinguishing semiconductor switching elements such as GTO thyristors, each GTO thyristor is turned on or off when the polarity of the AC power supply voltage is reversed, so the commutation type angle becomes zero. be able to. Therefore, the power factor can be set to approximately 1 during both forward conversion and reverse conversion, and the DC output voltage during forward conversion and the DC voltage during reverse conversion do not decrease, making it possible to maintain a power factor of approximately 1. The drawbacks of semiconductor power conversion devices are solved to some extent.

しかし、このような自己消弧形半導体スイッチ素子を用
いた場合、転流時に負荷電流に等しい電流を強制的に遮
断しなければならないため、大容量のスナバ回路を上記
スイッチ素子に設ける必要があるとともに、転流直後に
交流側に蓄えられていた大きなエネルギーを吸収するた
めのエネルギー吸収回路をブリッジ回路の交流側に設け
る必要がある。このため、電力変換装置が大形化すると
いう新たな欠点を生じてしまう。
However, when such a self-extinguishing semiconductor switching element is used, a current equal to the load current must be forcibly cut off during commutation, so it is necessary to provide a large-capacity snubber circuit to the switching element. At the same time, it is necessary to provide an energy absorption circuit on the AC side of the bridge circuit to absorb the large amount of energy stored on the AC side immediately after commutation. Therefore, a new drawback arises in that the power conversion device becomes larger.

そこで、発明者は上記欠点を解決するべく、先に半導体
電力変換装置の制御方法として、電力変換装置の順変換
動作時には自己消弧形半導体スイッチ素子を自己消弧さ
せることなく他励式電力変換動作をさせ、また、逆変換
動作時には転流余裕角が零となるように点弧制御すると
共に、電源電圧反転時に前記半導体スイッチ素子を自己
消弧させる制御方法を特願昭62−88364号として
提案した。
Therefore, in order to solve the above-mentioned drawbacks, the inventor first proposed a control method for a semiconductor power conversion device, in which the self-extinguishing type semiconductor switch element is not self-extinguished during forward conversion operation of the power conversion device, and separately excited type power conversion operation is performed. In addition, a control method was proposed in Japanese Patent Application No. 62-88364 in which the ignition is controlled so that the commutation margin angle becomes zero during the reverse conversion operation, and the semiconductor switching element is self-extinguished when the power supply voltage is reversed. did.

この方法を実施するために、例えば、第4図に示す半導
体電力変換装置が考えられた。
In order to implement this method, for example, a semiconductor power conversion device shown in FIG. 4 was devised.

すなわち同図において、1は交流電源、2は交流側のイ
ンダクタンスを示し、交流電源1には自己消弧形半導体
スイッチ素子としての逆阻止形GToサイリスタ4〜7
により構成された単相ブリッジ回路3が接続されている
。各GTOサイリスタ4〜7には過電圧からサイリスタ
を保護するためのスナバ回路8〜11が並列に接続され
ており、交流電源1には転流エネルギー吸収回路14が
並列に接続されている。
That is, in the figure, 1 indicates an AC power supply, 2 indicates an inductance on the AC side, and the AC power supply 1 includes reverse blocking type GTo thyristors 4 to 7 as self-extinguishing semiconductor switching elements.
A single-phase bridge circuit 3 configured by is connected thereto. Snubber circuits 8 to 11 for protecting the thyristors from overvoltage are connected in parallel to each of the GTO thyristors 4 to 7, and a commutating energy absorption circuit 14 is connected in parallel to the AC power supply 1.

ニーで、転流エネルギー吸収回路14はダイオードブリ
ッジ15.コンデンサ16及び抵抗17からなり、ダイ
オードブリッジ15の入力端子が交流電源1に接続され
、出力端子がコンデンサ16と抵抗17との並列回路に
接続されて構成されている。
At the knee, the commutation energy absorption circuit 14 is a diode bridge 15. The input terminal of the diode bridge 15 is connected to the AC power supply 1, and the output terminal is connected to a parallel circuit of the capacitor 16 and the resistor 17.

更に、ブリッジ回路3の直流側には、平滑用リアクトル
12と直流負荷としてのモータ13との直列回路が接続
されている。
Furthermore, a series circuit of a smoothing reactor 12 and a motor 13 as a DC load is connected to the DC side of the bridge circuit 3.

次に、この半導体電力変換装置の動作を第5図により説
明する。
Next, the operation of this semiconductor power conversion device will be explained with reference to FIG.

まず、同図(a)は順変換時の動作波形を示したもので
1図中Vは交流電源1の電圧波形を、 Edはブリッジ
回路3の直流側端子電圧の波形を、iは交流電源1の電
流波形を、i工及び12は−それぞれGTOサイリスタ
4,7及び5,6を流れる電流の波形を表したものであ
る。
First, Figure (a) shows the operating waveform during forward conversion. In the figure, V is the voltage waveform of the AC power supply 1, Ed is the waveform of the DC side terminal voltage of the bridge circuit 3, and i is the AC power supply. 1 and 12 represent the waveforms of the currents flowing through the GTO thyristors 4, 7 and 5, 6, respectively.

始めに、GTOサイリスタ4,7が導通状態にあり、G
TOサイリスタ5,6が逆阻止状態にあるとする。この
場合には時刻T1でGTOサイリスタ4,7はゲート信
号によりオフせず、オンゲート信号は停止し、また、G
TOサイリスタ5゜6をそれぞれのゲートに正の信号を
与えることにより点弧する。すると、GT○サイリスタ
4,7のアノード、カソード間には逆電圧が加わるため
、転流型なり角Uを経過した後にGTOサイリスタ4.
7が消弧し、逆阻止状態となる。
Initially, GTO thyristors 4 and 7 are conducting, and GTO
Assume that TO thyristors 5 and 6 are in a reverse blocking state. In this case, at time T1, the GTO thyristors 4 and 7 are not turned off by the gate signal, the on-gate signal is stopped, and the GTO thyristors 4 and 7 are not turned off by the gate signal.
The TO thyristors 5.6 are fired by applying a positive signal to their respective gates. Then, since a reverse voltage is applied between the anode and cathode of the GT○ thyristors 4 and 7, the GTO thyristor 4.
7 is extinguished and a reverse blocking state occurs.

次いで、時刻T2においてはGTOサイリスタ4.7を
点弧し、転流型なり角Uを経過した後にGTOサイリス
タ5,6が消弧する。以下、同様にして転流は繰り返さ
れる。
Next, at time T2, the GTO thyristor 4.7 is turned on, and after the commutation type turn angle U has elapsed, the GTO thyristors 5 and 6 are turned off. Thereafter, the commutation is repeated in the same manner.

また、第5図(b)は逆変換時の動作波形図であり、ま
ず、交流電源1の電圧Vが正であるときにGTOサイリ
スタ5,6が導通状態にあり、GTOサイリスタ4,7
を逆阻止状態としておく。このとき、交流側の電流は第
4図で示す点線の向きに12となって流れているため、
ブリッジ回路3の直流側端子電圧Edは負となっている
FIG. 5(b) is an operating waveform diagram during inverse conversion. First, when the voltage V of the AC power supply 1 is positive, the GTO thyristors 5 and 6 are in a conductive state, and the GTO thyristors 4 and 7 are in a conductive state.
is in a reverse blocking state. At this time, the current on the AC side is flowing in the direction of the dotted line shown in Figure 4, so
The DC side terminal voltage Ed of the bridge circuit 3 is negative.

次いで、点弧遅れ角α、即ち時刻T1でGTOサイリス
タ5,6をゲート信号によりオフせず、オンゲート信号
は停止し、また、GT○サイリスタ4,7をそれぞれの
ゲートに正の信号を与えることにより点弧すると、GT
Oサイリスタ5,6のアノード、カソード間には逆電圧
が印加されることになるため、これらのGTOサイリス
タ5゜6は転流型なり角Uを経過した後に消弧する。こ
こで点弧遅れ角αは、電源電圧Vの極性が反転する時刻
T0でGTOサイリスタ4〜7の転流が終了するように
設定されている。このことは、Edの波形かられかるよ
うに、 (点弧遅れ角α)+(転流型なり角u)=π(rad、
)であり、転流余裕角が零であることを意味している。
Next, at the firing delay angle α, that is, at time T1, the GTO thyristors 5 and 6 are not turned off by the gate signal, the on-gate signal is stopped, and a positive signal is given to the respective gates of the GT○ thyristors 4 and 7. When ignited by
Since a reverse voltage is applied between the anode and cathode of the O thyristors 5 and 6, these GTO thyristors 5 and 6 are extinguished after commutation angle U has passed. Here, the firing delay angle α is set so that commutation of the GTO thyristors 4 to 7 ends at time T0 when the polarity of the power supply voltage V is reversed. As can be seen from the waveform of Ed, (ignition delay angle α) + (commutation type angle u) = π (rad,
), which means that the commutation margin angle is zero.

これにより1時刻T。では消弧すべきGT○サイリスタ
の遮断に伴う転流エネルギーは発生しないことになる。
This makes it 1 time T. Therefore, no commutation energy is generated due to the cutoff of the GT○ thyristor that should be extinguished.

以下同様にしてGTOサイリスタ4,7及びGToサイ
リスタ5,6は点弧及び消弧を繰り返す。
Thereafter, the GTO thyristors 4 and 7 and the GTO thyristors 5 and 6 repeat firing and extinguishing in the same manner.

なお、この転流余裕角を零とするためには、例えば、従
来から知られている転流余裕角一定制御方式により行え
ばよい。
In order to make this commutation margin angle zero, for example, a conventionally known commutation margin angle constant control method may be used.

以上のように、交流電源電圧反転時に転流を完了させ、
転流余裕時間を零とするように前もって点弧遅れ角αで
GTOサイリスタを点弧する制御方法を採用することに
より、転流エネルギー吸収回路を不要にすることが一応
、可能になる。
As mentioned above, commutation is completed when the AC power supply voltage is reversed,
By adopting a control method in which the GTO thyristor is fired in advance at the firing delay angle α so as to make the commutation margin time zero, it is possible to make the commutation energy absorption circuit unnecessary.

しかるに、逆変換動作時に転流余裕角を零とすべく転流
余裕角一定制御方式による制御を行っても、転流余裕角
制御系の制御遅れや電源電圧の急変が原因となって交流
電源電圧の反転時(第5図(b)の時刻T0)にはまだ
転流がまだ完了しておらず、または既に転流が完了して
いる場合もあり得る。このため、前記時刻T0に消弧す
べきGTOサイリスタにはオフゲート信号を印加し、こ
れを強制的にオフさせる必要がある。
However, even if control is performed using a constant commutation margin angle control method to make the commutation margin angle zero during inverse conversion, control delays in the commutation margin angle control system and sudden changes in the power supply voltage may cause the AC power source to At the time of voltage reversal (time T0 in FIG. 5(b)), commutation may not have been completed yet, or there may be cases where commutation has already been completed. For this reason, it is necessary to apply an off-gate signal to the GTO thyristor to be turned off at the time T0 to forcibly turn it off.

第6図はこのときの動作を説明するための波形図である
FIG. 6 is a waveform diagram for explaining the operation at this time.

同図(a)は、制御指令どおりに転流余裕角が零となっ
た場合、同図(b)は交流電源電圧■の反転時にはまだ
転流が終了していない場合、同図(c)は既に転流が完
了している場合のそれぞれの動作波形を示したものであ
る。これらの各図において、υCはコンデンサ16の両
端の電圧、IRは抵抗17を流れる電流を示している。
Figure (a) shows the case where the commutation margin angle becomes zero as per the control command, Figure (b) shows the case where the commutation has not yet finished when the AC power supply voltage reverses, and Figure (c) shows the respective operating waveforms when commutation has already been completed. In each of these figures, υC represents the voltage across the capacitor 16, and IR represents the current flowing through the resistor 17.

ここでは、これから消弧するべきGTOサイリスタを4
,7とし、導通するべきGTOサイリスタを5,6とし
ている。同図(b)においては、交流電源電圧Vの極性
が反転するA点では転流が完了しておらず、GTOサイ
リスタ4,7のゲートに加えられた負の信号によりこれ
らのGTOサイリスタが強制的に消弧された状態を示し
ている。
Here, we will introduce 4 GTO thyristors that should be extinguished from now on.
, 7, and the GTO thyristors to be made conductive are 5 and 6. In the same figure (b), commutation is not completed at point A where the polarity of AC power supply voltage V is reversed, and these GTO thyristors are forced by the negative signal applied to the gates of GTO thyristors 4 and 7. This shows the state where the arc is extinguished.

また、同図(b)のEdの波形で強制転流時にピークが
現われるのは、交流側のインダクタンス2の影響による
ものである。
Moreover, the reason why a peak appears in the waveform of Ed in FIG. 4B at the time of forced commutation is due to the influence of the inductance 2 on the AC side.

すなわち、オフすべきGTOサイリスタ4,7が強制的
に電流ΔIdを遮断するので、交流側に流れていた電流
のうちΔId分が転流エネルギー吸収回路14のダイオ
ードブリッジ15を介してコンデンサ16に流れ込むこ
とになり、このため、ブリッジ回路3の出力電圧Edに
は前記コンデンサ16の電圧υCが現れる。ここで、コ
ンデンサ電圧υCがそのピーク値Vcとなるまでの時間
ΔTcは、交流電源1の極性反転後の電圧値は小さいた
め無視し、コンデンサ電圧υCもVc一定と仮定すると
次のようになる。
That is, since the GTO thyristors 4 and 7 that should be turned off forcibly cut off the current ΔId, ΔId of the current flowing on the AC side flows into the capacitor 16 via the diode bridge 15 of the commutation energy absorption circuit 14. Therefore, the voltage υC of the capacitor 16 appears in the output voltage Ed of the bridge circuit 3. Here, the time ΔTc until the capacitor voltage υC reaches its peak value Vc is ignored because the voltage value after polarity reversal of the AC power source 1 is small, and assuming that the capacitor voltage υC is also constant Vc, the following equation is obtained.

ここで、Lは交流側のインダクタンス2の値である。Here, L is the value of inductance 2 on the AC side.

また、第6図(a)、(c)の場合は転流エネルギーが
発生しないため、コンデンサの電圧υCは交流電源電圧
Vのピーク値Vp(一定値)となり、抵抗17にはこれ
に応じた電流IRが流れることとなる。
In addition, in the case of Fig. 6 (a) and (c), since no commutation energy is generated, the voltage υC of the capacitor becomes the peak value Vp (constant value) of the AC power supply voltage V, and the resistor 17 is set according to this value. Current IR will flow.

(発明が解決しようとする課題) しかし、この制御方法では転流エネルギーを吸収するた
めにダイオードブリッジ15.コンデンサ16及び抵抗
17からなる転流エネルギー吸収回路14を採用してい
るため、次のような問題があった。
(Problem to be Solved by the Invention) However, in this control method, the diode bridge 15. Since the commutation energy absorption circuit 14 consisting of a capacitor 16 and a resistor 17 is employed, the following problems occur.

まず、逆変換時においてコンデンサ16は常に交流電源
1のピーク電圧値VP以上に充電されるため、抵抗17
には常時、電力が発生する。すなわち第6図(a)及び
(c)に示すような逆変換動作時で転流エネルギー吸収
回路14が実質的に不要となる時でも抵抗17には電力
が発生する。
First, during inverse conversion, the capacitor 16 is always charged to a value higher than the peak voltage value VP of the AC power source 1, so the resistor 17
Electricity is constantly generated. That is, power is generated in the resistor 17 even when the commutation energy absorption circuit 14 is substantially unnecessary during the inverse conversion operation as shown in FIGS. 6(a) and 6(c).

更に、他励動作の順変換動作時においては転流エネルギ
ーが全く発生しないにも拘らず、抵抗17には転流時に
発生する転流エネルギーよりもはるかに大きな電力が発
生してしまう。このため、転流エネルギー吸収回路14
の効率が悪く、しかもその回路構成から小形化には限界
があり、転流エネルギー吸収回路14の大形化ひいては
電力変換装置の大形化及び低効率化を招いていた。
Furthermore, even though no commutation energy is generated during the forward conversion operation of the separately excited operation, much larger power is generated in the resistor 17 than the commutation energy generated during commutation. For this reason, commutation energy absorption circuit 14
The efficiency of the converter is poor, and there is a limit to miniaturization due to its circuit configuration, leading to an increase in the size of the commutation energy absorption circuit 14 and, in turn, to an increase in the size and lower efficiency of the power converter.

本発明は、上記課題を解決するために提案されたもので
あって、自己消弧形半導体スイッチ素子の電流遮断時に
発生する転流エネルギーのみを吸収できる小形かつ高効
率の転流エネルギー吸収回路により、小形軽量かつ低価
格で高効率の半導体電力変換装置を提供することをその
目的とする。
The present invention has been proposed in order to solve the above problems, and uses a small and highly efficient commutation energy absorption circuit that can absorb only the commutation energy generated when the current of a self-extinguishing semiconductor switching element is interrupted. The purpose of this invention is to provide a compact, lightweight, low-cost, and highly efficient semiconductor power conversion device.

(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明は自己消弧形半導体ス
イッチ素子による電流遮断時には、交流側インダクタン
スにより交流電源電圧のピーク値以上の高い電圧が発生
することに着目してなされたもので、このピーク値以上
の高い電圧で動作するアレスタにより転流エネルギーを
吸収させるべく、自己消弧形半導体スイッチ素子から成
るブリッジ回路の交流側にギャップレスアレスタを接続
したことを特徴とする。
(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention prevents the generation of a high voltage higher than the peak value of the AC power supply voltage due to the AC side inductance when the self-extinguishing semiconductor switching element interrupts the current. In order to absorb commutation energy with an arrester that operates at a high voltage higher than this peak value, a gapless arrester was connected to the alternating current side of a bridge circuit consisting of a self-extinguishing semiconductor switching element. Features.

なお、上記ギャップレスアレスタとしては、非直線性抵
抗素子または酸化亜鉛形アレスタを用いることが望まし
い。
Note that as the gapless arrester, it is desirable to use a nonlinear resistance element or a zinc oxide type arrester.

(作用) 本発明によれば、順変換時には、ブリッジ回路の交流側
に接続されたギャップレスアレスタの電圧はその制限電
圧には達せず、アレスタには電流が流れないためアレス
タにおける電力消費がない。
(Function) According to the present invention, during forward conversion, the voltage of the gapless arrester connected to the AC side of the bridge circuit does not reach its limit voltage, and no current flows through the arrester, so there is no power consumption in the arrester.

また、逆変換時において、制御指令どおりに転流余裕角
が零、すなわち転流型なり角が制御進み角と等しくなる
ように制御が行われた場合には、消弧するべき自己消弧
形半導体スイッチ素子が強制消弧されず、ギャップレス
アレスタには交流電源電圧のみが加わるが、このアレス
タは動作せずアレスタに電流が流れない。
Also, during inverse conversion, if control is performed so that the commutation margin angle is zero as per the control command, that is, the commutation type angle becomes equal to the control lead angle, the self-extinguishing type that should be arc-extinguished. The semiconductor switch element is not forcibly extinguished, and only the AC power supply voltage is applied to the gapless arrester, but this arrester does not operate and no current flows through the arrester.

更に、転流余裕角が正、すなわち転流型なり角が制御進
み角よりも小さくなるように制御が行われると、消弧す
るべき自己消弧形半導体スイッチ素子がすでに消弧され
ているので、このときにもギャップレスアレスタには交
流電源電圧のみが加わり、アレスタに電流が流れること
はない。
Furthermore, if control is performed so that the commutation margin angle is positive, that is, the commutation type angle is smaller than the control advance angle, the self-extinguishing semiconductor switching element that should be arc-extinguished has already been extinguished. At this time, only the AC power supply voltage is applied to the gapless arrester, and no current flows through the arrester.

そして、転流余裕角が負、すなわち転流型なり角が制御
進み角よりも大きくなるように制御が行われると、ブリ
ッジ回路の交流側端子間には交流側に流れていた電流の
変化分及び交流側インダクタンスの影響によりピーク電
圧が生じる。この電圧はギャップレスアレスタの端子間
に微小時間印加されてアレスタに電流が流れ、転流エネ
ルギーが吸収されることになる。
Then, when control is performed so that the commutation margin angle is negative, that is, the commutation type angle becomes larger than the control lead angle, the change in the current flowing on the AC side is transferred between the AC side terminals of the bridge circuit. A peak voltage is generated due to the influence of the AC side inductance. This voltage is applied between the terminals of the gapless arrester for a minute time, current flows through the arrester, and commutation energy is absorbed.

(実施例) 以下、図に沿って本発明の一実施例を説明する。(Example) An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図はこの実施例にかかる半導体電力変換装置の回路
構成を示したもので、図中の各構成要素1〜13は第4
図における各構成要素1〜13と同一のものであり、す
なわち、1は交流電源、2は交流側のインダクタンス、
3は単相ブリッジ回路、4〜7は自己消弧形半導体スイ
ッチ素子であるGTOサイリスタ、8〜llは過電圧か
ら各サイリスタを保護するためのスナバ回路、12は平
滑用リアクトル、13は直流負荷としてのモータをそれ
ぞれ示している。
FIG. 1 shows the circuit configuration of the semiconductor power conversion device according to this embodiment, and each component 1 to 13 in the figure is the fourth
The components 1 to 13 in the figure are the same, that is, 1 is an AC power supply, 2 is an inductance on the AC side,
3 is a single-phase bridge circuit, 4 to 7 are GTO thyristors that are self-extinguishing semiconductor switching elements, 8 to 11 are snubber circuits to protect each thyristor from overvoltage, 12 is a smoothing reactor, and 13 is a DC load. motors are shown respectively.

そして、図中、18は交流電源1の電圧のピーク値以上
の電圧で動作するギャップレスアレスタである。このギ
ャップレスアレスタ18は、先の第4図に示した転流エ
ネルギー吸収回路14に代えてブリッジ回路3の交流側
端子間に接続されており、例えば酸化亜鉛形アレスタが
用いられている。
In the figure, 18 is a gapless arrester that operates at a voltage higher than the peak value of the voltage of the AC power supply 1. This gapless arrester 18 is connected between the AC side terminals of the bridge circuit 3 in place of the commutation energy absorption circuit 14 shown in FIG. 4, and uses, for example, a zinc oxide type arrester.

以下、この実施例の作用を説明する。The operation of this embodiment will be explained below.

始めに、順変換時においては、先に第5図において説明
した作用とほぼ同一であるが、転流エネルギー吸収回路
としてダイオードブリッジ、コンデンサ及び抵抗からな
るものを使用しないため、ギャップレスアレスタ18に
加わる電圧υarrは電源電圧のピーク値Vpよりも常
に小さく、ギヤップレスアレスタ18が動作することは
ない。従って、ギャップレスアレスタ18には電流i 
arrが流れず、従来のような抵抗による電力の発生も
生じない。
First, during forward conversion, the effect is almost the same as that previously explained in FIG. The voltage υarr is always smaller than the peak value Vp of the power supply voltage, and the gearless arrester 18 never operates. Therefore, the gapless arrester 18 has a current i
Arr does not flow, and power is not generated by resistance as in the conventional case.

次に、逆変換時の動作を詳述する。Next, the operation during inverse conversion will be explained in detail.

まず、交流電源1の電圧Vが正であるときにGToサイ
リスタ5,6を導通状態、GTOサイリスタ4,7を逆
阻止状態としておく。このとき、交流側の電流は第1図
の点線の向きに12となって流れているため、ブリッジ
回路3の直流側端子電圧Edは負となっている。
First, when the voltage V of the AC power supply 1 is positive, the GTO thyristors 5 and 6 are placed in a conductive state, and the GTO thyristors 4 and 7 are placed in a reverse blocking state. At this time, since the current on the alternating current side is flowing in the direction of the dotted line in FIG. 1 as 12, the terminal voltage Ed on the direct current side of the bridge circuit 3 is negative.

次いで、GTOサイリスタ5,6をゲート信号によりオ
フせず、オンゲート信号を停止し、また、GT○サイリ
スタ4,7をある点弧遅れ角をもってそれぞれのゲート
に正の信号を与えて点弧すると、GTOサイリスタ5,
6のアノード、カソード間には逆電圧が印加されること
になるため、これらのGTOサイリスタ5,6は転流型
なり角を経過した後に消弧する。ここで前記点弧遅れ角
は、電源電圧Vの極性が反転する時刻でGTOサイリス
タ4〜7の転流が終了するように設定されている。
Next, the GTO thyristors 5 and 6 are not turned off by the gate signal, but the on-gate signal is stopped, and the GT○ thyristors 4 and 7 are fired by giving a positive signal to each gate with a certain firing delay angle. GTO thyristor 5,
Since a reverse voltage is applied between the anode and cathode of GTO thyristors 5 and 6, these GTO thyristors 5 and 6 are extinguished after passing the commutation type turning angle. Here, the firing delay angle is set so that the commutation of the GTO thyristors 4 to 7 ends at the time when the polarity of the power supply voltage V is reversed.

第2図(a)〜(c)はそれぞれ前述した第6図(a)
〜(c)に対応しており、第2図(a)は制御指令どお
りに転流余裕角が零となった場合、同図(b)は交流電
源電圧Vの反転時にはまだ転流が終了していない場合、
同図(c)は既に転流が完了している場合の動作波形を
示したものである。これらの各図において、第6図と同
様にVは交流電源1の電圧を、Edはブリッジ回路3の
直流側端子電圧を、11及び12は交流電源1を正また
は負の向きに流れる電流を示し、また、υarrはギャ
ップレスアレスタ18に加わる電圧を、i arrはギ
ャップレスアレスタ18に流れる電流をそれぞれ示して
いる。
Figures 2 (a) to (c) are the same as Figure 6 (a) described above, respectively.
~ (c), and Fig. 2 (a) shows when the commutation margin angle becomes zero according to the control command, and Fig. 2 (b) shows that commutation has not yet finished when the AC power supply voltage V is reversed. If you haven't,
FIG. 6(c) shows the operating waveform when commutation has already been completed. In each of these figures, as in FIG. 6, V represents the voltage of the AC power supply 1, Ed represents the DC side terminal voltage of the bridge circuit 3, and 11 and 12 represent the current flowing through the AC power supply 1 in the positive or negative direction. In addition, υarr represents the voltage applied to the gapless arrester 18, and i_arr represents the current flowing through the gapless arrester 18.

逆変換時において、制御指令どおりに転流余裕角が零、
すなわち転流型なり角Uが制御進み角γと等しくなるよ
うに制御が行われた場合にはGTOサイリスタ5,6が
強制消弧されず、ギャップレスアレスタ18には交流電
源電圧Vのみが加わることになる。このとき、ギャップ
レスアレスタ18は動作せず、電流i arrは流れな
い(第2図(a)参照)。
During reverse conversion, the commutation margin angle is zero according to the control command,
That is, when control is performed so that the commutation type angle U becomes equal to the control advance angle γ, the GTO thyristors 5 and 6 are not forcibly extinguished, and only the AC power supply voltage V is applied to the gapless arrester 18. become. At this time, the gapless arrester 18 does not operate, and the current i arr does not flow (see FIG. 2(a)).

次に、転流余裕角が負、すなわち、転流型なり角Uが制
御進み角γより大きくなるように制御が行われた場合、
ブリッジ回路3の交流側端子間には、交流側に流れてい
た電流の変化分ΔId及びインダクタンス2の影響によ
りピーク電圧V arrが生ずる。この電圧Varrは
、ギャップレスアレスタ18の端子間に、以下の式で示
される時間ΔTarrの間印加されることになる。
Next, when control is performed so that the commutation margin angle is negative, that is, the commutation type angle U is larger than the control advance angle γ,
A peak voltage V arr is generated between the AC side terminals of the bridge circuit 3 due to the change ΔId of the current flowing on the AC side and the influence of the inductance 2 . This voltage Varr will be applied between the terminals of the gapless arrester 18 for a time ΔTarr expressed by the following equation.

しかるに、GTOサイリスタ5,6が電流を強制的に遮
断するとブリッジ回路3の交流側端子電圧はアレスタの
制限電圧V arrに制限され、電源1を流れる電流1
1(=ΔId)はギャップレスアレスタ18を介して(
iarr==ΔId)GTOサイリスタ6に流れる(第
2図(b)参照)。
However, when the GTO thyristors 5 and 6 forcibly cut off the current, the AC side terminal voltage of the bridge circuit 3 is limited to the arrester limit voltage V arr, and the current 1 flowing through the power supply 1 is
1 (=ΔId) via the gapless arrester 18 (
iarr==ΔId) flows to the GTO thyristor 6 (see FIG. 2(b)).

また、転流余裕角が負、すなわち転流型なり角Uが制御
進み角γより小さくなるように制御が行われた場合には
、GTOサイリスタ5,6がすでに消弧されて転流は完
了しており、i工及び12が急変化することもないため
、ギャップレスアレスタ18には交流電源電圧■のみが
加わることになり、ギャップレスアレスタ18は動作せ
ず、電流i arrは流れない(第2図(Q)参照)。
Furthermore, if the commutation margin angle is negative, that is, if control is performed so that the commutation type angle U is smaller than the control advance angle γ, the GTO thyristors 5 and 6 are already extinguished and the commutation is completed. Therefore, only the AC power supply voltage ■ is applied to the gapless arrester 18, and the gapless arrester 18 does not operate and the current iarr does not flow (the second (See figure (Q)).

つまり、GTOサイリスタが強制消弧されない第2図(
a)、(C)の場合にはギャップレスアレスタ18に電
流が流れず、強制消弧される同図(b)の場合にのみ電
流が流れることとなる。
In other words, the GTO thyristor is not forcibly extinguished as shown in Figure 2 (
In the cases of a) and (C), no current flows through the gapless arrester 18, and the current flows only in the case of forced extinguishment in the same figure (b).

なお、この実施例では、ギャップレスアレスタ18とし
て酸化亜鉛素子の電圧−電流の非直線性を利用した酸化
亜鉛形アレスタを用いており、このアレスタは電圧制限
特性が優れている。第3図はその特性例であり、交流電
源電圧のピーク値Vp以下ではアレスタに電流i ar
rが流れず、GTOサイリスタが電流を強制的に遮断す
ると、アレスタの電圧υarrは制限電圧Varrによ
って制限されることが明らかである。
In this embodiment, a zinc oxide type arrester utilizing the voltage-current nonlinearity of a zinc oxide element is used as the gapless arrester 18, and this arrester has excellent voltage limiting characteristics. Figure 3 shows an example of its characteristics. Below the peak value Vp of the AC power supply voltage, the arrester receives a current i ar
It is clear that if r does not flow and the GTO thyristor forcibly interrupts the current, the arrester voltage υarr is limited by the limiting voltage Varr.

ここで、ギャップレスアレスタ18は上記酸化亜鉛形ア
レスタに限られないのは勿論であり、同様の特性を有す
るものであれば他の非直線性抵抗素子を用いたものであ
ってもよい。
Here, the gapless arrester 18 is of course not limited to the zinc oxide type arrester described above, and may use other nonlinear resistance elements as long as they have similar characteristics.

なお、第2図(b)に示す例では、アレスタに発生する
エネルギーQarrは、 Qarr  =    L’ΔId”    (Ju1
となる。
In the example shown in FIG. 2(b), the energy Qarr generated in the arrester is Qarr = L'ΔId" (Ju1
becomes.

上記実施例では半導体電力変換装置の負荷が直流モータ
ー3の場合につき説明したが1本発明は負荷が交流電動
機を駆動するインバータの場合にも適用可能である。ま
た、このインバータが電圧形インバータの場合には、電
力変換装置とインバータとの間に電流の極性切換用の回
路切換器を備えればよい。
Although the above embodiment describes the case where the load of the semiconductor power conversion device is the DC motor 3, the present invention is also applicable to the case where the load is an inverter that drives an AC motor. Furthermore, if the inverter is a voltage type inverter, a circuit switch for switching the polarity of current may be provided between the power converter and the inverter.

更に、上記実施例では交流電源が単相の場合を示しであ
るが、本発明は3相などの多相交流にも同様に適用でき
ることは勿論である。
Further, although the above embodiments show the case where the AC power source is a single phase, it goes without saying that the present invention can be similarly applied to a multiphase AC power source such as a three-phase AC power source.

(発明の効果) 以上のように本発明によれば、自己消弧形半導体スイッ
チ素子を用いた半導体電力変換装置において、ブリッジ
回路の交流側にギャップレスアレスタを接続し、自己消
弧形半導体スイッチ素子の電流遮断によって強制的に転
流を行わせる時に発生する転流エネルギーのみを前記ア
レスタにより吸収するようにしたため、逆変換時及び順
変換動作時における転流エネルギー吸収回路の無駄な電
力消費を解消することができ、転流エネルギー吸収回路
、ひいては電力変換装置の小形軽量化、高効率化、更に
は低価格化を図ることができる。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, in a semiconductor power conversion device using a self-arc-extinguishing semiconductor switching element, a gapless arrester is connected to the AC side of the bridge circuit, and the self-arc-extinguishing semiconductor switching element Since the arrester absorbs only the commutation energy generated when commutation is forcibly performed by interrupting the current, wasteful power consumption of the commutation energy absorption circuit during reverse conversion and forward conversion operations is eliminated. Therefore, it is possible to make the commutation energy absorption circuit, and thus the power conversion device, smaller and lighter, have higher efficiency, and further reduce the cost.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図ないし第3図は本発明の一実施例を示すもので、
第1図は全体構成を示す回路図、第2図(a)〜(c)
は第1図における逆変換時の動作波形図、第3図は酸化
亜鉛形アレスタの特性図、第4図は従来例を示す回路図
、第5図(a)、(b)はそれぞれ第4図における順変
換時及び逆変換時の動作波形図、第6図(a)〜(c)
は第4図における逆変換時の動作波形図である。 1・・・交流電源       3・・・ブリッジ回路
4〜7・・・GTOサイリスタ 18・・・ギャップレスアレスタ 特許出願人    富士電機株式会社 代理人  弁理士  森 1)雄 1 第1図 雇 〃 jI3図 →V−テ 第2図 jI5図 +a〕(b) 第6図
1 to 3 show an embodiment of the present invention,
Figure 1 is a circuit diagram showing the overall configuration, Figures 2 (a) to (c)
is an operating waveform diagram during inverse conversion in Figure 1, Figure 3 is a characteristic diagram of a zinc oxide type arrester, Figure 4 is a circuit diagram showing a conventional example, and Figures 5 (a) and (b) are respectively Operation waveform diagrams during forward conversion and inverse conversion in the figure, Fig. 6 (a) to (c)
is an operation waveform diagram during inverse conversion in FIG. 4. 1... AC power supply 3... Bridge circuit 4-7... GTO thyristor 18... Gapless arrester Patent applicant Fuji Electric Co., Ltd. agent Patent attorney Mori 1) Male 1 Figure 1 employment〃 jI3 diagram → V-TE Figure 2 j Figure 5 + a〕(b) Figure 6

Claims (1)

【特許請求の範囲】 電力変換素子としての自己消弧形半導体スイッチ素子か
ら成るブリッジ回路を備え、かつ順変換時には前記半導
体スイッチ素子を自己消弧させることなく他励式電力変
換動作をさせ、逆変換時には転流余裕角が零となるよう
に点弧制御すると共に、交流電源の電圧反転時に前記半
導体スイッチ素子を自己消弧させる半導体電力変換装置
において、 前記ブリッジ回路の交流側に、前記交流電源電圧のピー
ク値以上の電圧で動作するギャップレスアレスタを接続
したことを特徴とする半導体電力変換装置。
[Scope of Claims] A bridge circuit comprising a self-extinguishing semiconductor switching element as a power conversion element is provided, and during forward conversion, the semiconductor switching element performs a separately excited power conversion operation without self-extinguishing, and performs reverse conversion. In a semiconductor power converter device that sometimes performs ignition control so that the commutation margin angle becomes zero, and also self-extinguishes the semiconductor switch element when the voltage of the AC power supply is reversed, the AC power supply voltage is connected to the AC side of the bridge circuit. A semiconductor power conversion device characterized in that a gapless arrester that operates at a voltage higher than the peak value of is connected.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5287260A (en) * 1991-10-21 1994-02-15 Kabushiki Kaisha Toshiba GTO rectifier and inverter
JP2009268347A (en) * 2008-04-21 2009-11-12 Aeg Power Solutions Bv Circuit which protects at least one dc network having dc load from excess voltage

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